印制板故障診斷系統(tǒng)的設計
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摘要：一套基于過驅(qū)動技術的印制板故障診斷系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)由工控計算機、過驅(qū)動功能板和測試針床板等組成。過驅(qū)動功能板的設計充分考慮了被測對象的各種故障模型，測試功能比較完備。提出了元件“級”的概念，基于此概念來設計針床板與功能板之間的接口，實現(xiàn)了測試策略的優(yōu)化。
數(shù)字設備故障自動測試與診斷的研究隨著數(shù)字設備的發(fā)展而不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)字設備故障診斷技術是利用半導體器件允許瞬態(tài)過載的特性，采用過驅(qū)動技術在線隔離和測試器件；隨后相繼出現(xiàn)了紅外測試技術和新一代的非向量測試技術，如電容耦合技術、射頻磁場感應技術、模擬結(jié)效應測試技術等。目前國內(nèi)外開發(fā)的通用印制板故障診斷儀比較多，功能也比較強。
1 系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)診斷的對象是一套數(shù)字設備，該設備由多塊以TTL器件為主的數(shù)字電路印制板組成。本系統(tǒng)對出現(xiàn)故障的診斷對象進行器件故障診斷和維修，因此被測對象不存在器件插錯方向的故障。系統(tǒng)可能的故障模型主要有：①器件功能故障；②電路板發(fā)生橋接故障；③電源與地的絕緣電阻過小或短路。另外，要求該系統(tǒng)具有較小的體積和較輕的重量。
系統(tǒng)的結(jié)構框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由微機、液晶顯示屏、操作按鈕、過驅(qū)動電源、過驅(qū)動功能板和測試針床板組成。為了減小系統(tǒng)的體積和重量，采用工控機系統(tǒng)平臺和液晶顯示屏；為了方便操作，采用設置一定的功能鍵代替鍵盤；為了減少過驅(qū)動對操作平臺的干擾，過驅(qū)動功能板采用獨立的電源。測試時測試針床通過探針與被測印制板的所有網(wǎng)絡節(jié)點可靠接觸。由于該系統(tǒng)的測試針床板和安裝測試針床板的模具要求很高的機械加工精度，必須采用精密加機床進行加工。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
2.1 過驅(qū)動功能板的設計
印制板最致命的故障是電源與地的短路（對印制板盲目地通電很容易燒毀器件和電路板）。過驅(qū)動功能板設計了在印制板不加電的條件下測試電源與地之間的阻抗的電路，電路原理如圖2所示。
當印制板電源與地之間的阻抗過小或者短路時，發(fā)光二極管燈亮。
由于印制電路板的橋接故障改變電路的拓撲結(jié)構，應用傳統(tǒng)的向量測試生成技術診斷起來比較困難。應用在線測試的方法，即在被測印制板不加電的情況下測試所有網(wǎng)絡節(jié)點之間的阻抗，則可以較好地診斷整個電路中發(fā)生的橋接故障。電路原理如圖3所示。
任意兩個網(wǎng)絡節(jié)點通過地址開關的選通接入采樣電路，采樣電路利用分壓的原理測量a、b之間的電阻。
過驅(qū)動功能板插接在計算機的ISA總線插槽上。由于過驅(qū)動瞬時加入時，電源的負載會突然增大，給計算機造成比較強的干擾，所以過驅(qū)動功能板的過驅(qū)動電流必須采用獨立的電源提供，而過驅(qū)動功能板的控制部件依然由計算機的電源接入。
對器件的功能故障進行測試時，過驅(qū)動功能板的設計還要考慮到以下幾個因素：
（1）每個網(wǎng)絡節(jié)點既可能是過驅(qū)動的輸入點，又可能是響應的輸出點；
（2）作為過驅(qū)動點時，既可能是灌電流點，又可能是拉電流點；
（3）由于過驅(qū)動電流大，需要采用高速繼電器控制；
（4）由于過驅(qū)動的瞬態(tài)性，必須保證同時施加激勵，同時測試響應；
（5）由于計算機數(shù)據(jù)線位數(shù)的限制，必須首先鎖存激勵的狀態(tài)。然后由一根控制線將激勵同時加到被測印制板上，鎖存印制板在該激勵下的響應，然后分多次讀出響應結(jié)果。
基于以上幾點因素，對每個網(wǎng)絡節(jié)點設計的功能測試電路如圖4所示。
對電路結(jié)構設計說明如下：
（1）灌電流和拉電流傳輸?shù)穆窂缴暇捎酶咚倮^電器控制，其它控制門采用TTL門控制。
（2）當印制板不加電時，單刀雙擲高速繼電器接地通被測點到多選2開關的通路，接通電路的橋接故障測試通路；當印制板加電時，接通過驅(qū)動電路到被測點的通路，使被測點可以接受灌電流或拉電流接通輸出電路。
（3）測試點狀態(tài)選擇端在印制板加電的狀態(tài)下控制被測點是輸入還是輸出。
（4）各個被測點的激勵施加控制端和響應測試控制端連接到一起，保證同時施加激勵和同時測試響應。
將每個被測網(wǎng)絡節(jié)點的上述電路作為一個模塊，該模塊如圖5所示。
所有被測點的模塊與計算機系統(tǒng)總線的控制原理如圖6所示。圖中的印制板加電控制由微機面板上的操作按鈕開關直接控制。
2.2 測試針床板與過驅(qū)動功能轉(zhuǎn)接的設計
任何組合邏輯電路都可以用圖論中的樹形結(jié)構來表示其拓撲關系，用小圈表示器件，用來向線段表示信號的流向（一根有向線對應一個網(wǎng)絡節(jié)點），在有扇出的電路中，每個扇出點用分叉的有向線段表示。邏輯電路拓撲圖如圖7所示。其中，a、b、c、d為原始輸入端，1～9為有向線段，A、B、C為器件。
印制板上的網(wǎng)絡節(jié)點既是一個器件的輸入，又是另一個器件的輸出，而在一次測試中該網(wǎng)絡節(jié)點不可能既為輸入又為輸出。所以確定一個合理的測試策略，可以充分利用系統(tǒng)的資源，在最短的時間內(nèi)測試完所有的器件。
本文提出根據(jù)被測印制板的電路拓撲圖將器件劃分為不同的“級”。在論述“級”的概念之前，先引入一個“路徑長度”的概念?！奥窂介L度”為原始輸入端的信號向輸出端傳遞的過程中經(jīng)歷的器件的個數(shù)。以圖7為例：1～4構成一條路徑，經(jīng)歷一個器件A，路徑長度為1；1～5～8～9構成另一條路徑，經(jīng)歷三個器件，路徑長度為3。器件的“級”的確定原則是：從原始輸入端到器件的輸入端的路徑中的最長路徑即為該器件的“級”。根據(jù)器件的“級”，可以確定如下的過驅(qū)動測試策略：首先過驅(qū)動奇數(shù)“級”的器件，然后過驅(qū)動偶數(shù)“級”的器件。為了達到這樣的測試目的，測試針床板在引出各網(wǎng)絡節(jié)點時將不同“級”的器件的輸入端連接在一起。
3 對系統(tǒng)測試的幾點說明
該系統(tǒng)對不同的印制板進行測試時，換用不同的測試針床板，每塊針床板在與通用的過驅(qū)動功能板連接時具有不同的轉(zhuǎn)接關系。
不同的印制板對應不同的故障測試子程序的執(zhí)行由控制按鈕直接控制。
故障診斷的策略由測試子程序和過驅(qū)動功能板與測試針床板的硬件連接配合實現(xiàn)。對某器件進行測試時，如果該器件的輸出端存在到輸入端的反饋環(huán)，必須斷開反饋環(huán)，否則由于反饋產(chǎn)生毛刺，將會得到錯誤的測試結(jié)果。
本文詳細設計了一種基于過驅(qū)動技術的印制板故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用液晶顯示屏和按紐控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和操作的方便性；針對被測對象的特點和故障模型（如橋接故障、電源故障以及器件的功能故障）設計了通用的過驅(qū)動功能板，診斷功能較強。本文學提出了器件“級”的概念，基于此概念設計了針床板與功能板之間的接口，達到了診斷策略的優(yōu)化。
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